우리는 태양을 상자에 담는다고 말합니다. 아이디어가 예쁘다. 문제는 우리가 어떻게 해야 할지 모른다는 것이다. 만들다상자.

피에르 질 드 젠느
프랑스의 노벨상 수상자

모든 전자 장치와 기계에는 에너지가 필요하며 인류는 많은 양의 에너지를 소비합니다. 그러나 화석 연료는 고갈되고 있으며 대체 에너지는 아직 충분히 효과적이지 않습니다.
모든 요구 사항에 이상적으로 맞는 에너지를 얻는 방법이 있습니다. 바로 열핵융합입니다. 열반응 핵융합(수소를 헬륨으로 전환하고 에너지를 방출하는 것)은 태양에서 끊임없이 발생하며 이 과정은 행성 에너지를 다음과 같은 형태로 제공합니다. 태양 광선. 여러분은 그것을 지구에서 더 작은 규모로 모방하기만 하면 됩니다. 높은 압력과 매우 높은 온도(태양보다 10배 높음)를 제공하면 충분하며 핵융합 반응이 시작됩니다. 그러한 조건을 조성하려면 열핵 원자로를 건설해야 합니다. 이는 지구상의 더 풍부한 자원을 사용할 것이며, 기존 원자력 발전소보다 더 안전하고 더 강력할 것입니다. 40년 넘게 이를 구축하려는 시도가 있었고 실험도 진행되었습니다. 안에 지난 몇 년프로토타입 중 하나에서는 소비된 것보다 더 많은 에너지를 얻는 것이 가능했습니다. 이 분야의 가장 야심찬 프로젝트는 다음과 같습니다.

정부 프로젝트

최근 대중의 가장 큰 관심은 또 다른 열핵 원자로 설계인 Wendelstein 7-X 스텔라레이터(스텔라레이터는 토카막인 ITER보다 내부 구조가 더 복잡함)에 주어졌습니다. 10억 달러가 조금 넘는 비용을 지출한 독일 과학자들은 2015년까지 9년 만에 원자로의 축소된 실증 모델을 구축했습니다. 좋은 결과가 나오면 더 큰 버전이 빌드될 것입니다.

프랑스의 MegaJoule Laser는 세계에서 가장 강력한 레이저가 될 것이며 레이저 기반 핵융합로 건설 방법을 발전시키려고 시도할 것입니다. 프랑스 시설은 2018년에 시운전될 예정입니다.

NIF(National Ignition Facility)는 미국에서 12년에 걸쳐 2012년까지 40억 달러를 들여 건설되었습니다. 그들은 기술을 테스트한 후 즉시 원자로를 건설할 것으로 예상했지만 Wikipedia에 따르면, 다음과 같은 경우에는 상당한 작업이 필요한 것으로 나타났습니다. 시스템점화에 도달할 것입니다. 결과적으로 거창한 계획은 취소되었고 과학자들은 점차적으로 레이저를 개선하기 시작했습니다. 마지막 과제는 에너지 전달 효율을 7%에서 15%로 높이는 것입니다. 그렇지 않으면 이러한 통합 달성 방법에 대한 의회 자금 지원이 중단될 수 있습니다.

2015년 말, 사로프(Sarov)에서는 세계에서 가장 강력한 레이저 설치를 위한 건물 건설이 시작되었습니다. 이는 현재의 미국과 미래의 프랑스보다 더 강력할 것이며 "레이저" 버전의 원자로 건설에 필요한 실험을 수행하는 것을 가능하게 할 것입니다. 2020년에 공사가 완료됩니다.

미국에 위치한 MagLIF 융합 레이저는 열핵융합을 달성하는 방법 중 다크호스로 인식됩니다. 최근 이 방법은 예상보다 좋은 결과를 보여주었지만 여전히 전력을 1000배 이상 높여야 한다. 레이저는 현재 업그레이드가 진행 중이며, 2018년까지 과학자들은 그들이 소비한 것과 동일한 양의 에너지를 받기를 희망하고 있습니다. 성공하면 더 큰 버전이 빌드됩니다.

러시아 핵물리연구소는 미국이 90년대 포기한 '오픈 트랩' 방식을 끈질기게 실험했다. 그 결과, 이 방법으로는 불가능하다고 생각되는 지표가 얻어졌습니다. BINP 과학자들은 그들의 설치가 이제 독일 Wendelstein 7-X(Q=0.1) 수준이지만 가격이 더 저렴하다고 믿고 있습니다. 이제 그들은 30억 루블을 위한 새로운 시설을 건설하고 있습니다.

Kurchatov Institute의 책임자는 러시아에 소형 열핵 원자로 Ignitor를 건설하려는 계획을 끊임없이 상기시킵니다. 계획에 따르면 규모는 작지만 ITER만큼 효과적이어야 한다. 건설은 3년 전에 시작했어야 했지만 이러한 상황은 대규모 과학 프로젝트의 전형적인 현상입니다.

2016년 초 중국의 토카막 EAST는 5천만도의 온도에 도달하고 102초 동안 유지하는 데 성공했습니다. 거대한 원자로와 레이저 건설이 시작되기 전에는 열핵융합에 관한 모든 뉴스가 이랬습니다. 이것은 단지 누가 점점 더 높은 온도를 더 오래 유지할 수 있는지 알아보는 과학자들 사이의 경쟁이라고 생각할 수도 있습니다. 플라즈마 온도가 높을수록, 더 오랫동안 유지할 수 있을수록 핵융합 반응의 시작점에 가까워집니다. 전 세계적으로 그러한 시설이 수십 개 있고, 더 많은 () ()가 건설 중이므로 EAST 기록은 곧 깨질 것입니다. 본질적으로 이러한 소형 원자로는 ITER로 보내기 전 테스트 장비일 뿐입니다.

록히드 마틴은 2015년에 10년 안에 소형 이동식 핵융합로를 건설할 수 있는 핵융합 에너지 혁신을 발표했습니다. 매우 크고 전혀 이동식 상업용 원자로가 2040년까지는 예상되지 않았다는 점을 감안할 때 회사의 발표는 회의적인 반응을 불러일으켰습니다. 하지만 회사에는 많은 자원이 있으므로 누가 알겠습니까? 2020년에 프로토타입이 나올 것으로 예상된다.

인기 있는 실리콘밸리 스타트업 헬리온 에너지(Helion Energy)는 열핵융합을 달성하기 위한 고유한 계획을 가지고 있습니다. 회사는 1,000만 달러 이상을 모금했으며 2019년까지 프로토타입을 제작할 예정입니다.

주목받지 못하는 스타트업 Tri Alpha Energy는 최근 융합 방법을 홍보하는 데 있어 인상적인 결과를 얻었습니다(이론가들은 융합을 달성하기 위한 100가지 이상의 이론적 방법을 개발했으며 토카막은 가장 간단하고 가장 인기가 있습니다). 회사는 또한 투자자 자금으로 1억 달러 이상을 모금했습니다.

캐나다 스타트업 General Fusion의 원자로 프로젝트는 다른 프로젝트와 훨씬 다르지만 개발자들은 이에 자신감을 갖고 2020년까지 원자로를 건설하기 위해 10년 동안 1억 달러 이상을 모금했습니다.

영국 스타트업 First light는 가장 접근하기 쉬운 웹사이트를 보유하고 있으며 2014년에 설립되었으며 최신 과학 데이터를 사용하여 더 낮은 비용으로 핵융합을 달성하겠다는 계획을 발표했습니다.

MIT의 과학자들은 소형 핵융합로를 설명하는 논문을 썼습니다. 그들은 거대한 토카막 건설이 시작된 이후 등장한 새로운 기술에 의존하며 10년 안에 프로젝트를 완료할 것을 약속합니다. 공사를 시작할 수 있는 허가를 받을지는 아직 알려지지 않았습니다. 승인을 받아도 잡지 기사는 스타트업보다 훨씬 초기 단계다.

핵융합은 아마도 크라우드펀딩에 가장 적합하지 않은 산업일 것입니다. 그러나 Lawrenceville Plasma Physics 회사가 원자로의 프로토타입을 제작할 예정인 것은 그의 도움과 NASA 자금 덕분입니다. 진행 중인 모든 프로젝트 중에서 이 프로젝트는 가장 사기처럼 보이지만 아마도 이 거대한 작업에 유용한 것을 가져올 수도 있습니다.

ITER는 최초의 상업용 핵융합로인 본격적인 DEMO 시설 건설을 위한 프로토타입일 뿐입니다. 현재 출시는 2044년으로 예정되어 있으며 이는 여전히 낙관적인 예측입니다.

하지만 다음 단계에 대한 계획은 있습니다. 하이브리드 열핵 원자로는 원자 붕괴(기존 원자력 발전소와 같은)와 핵융합으로부터 에너지를 받습니다. 이 구성에서는 에너지가 10배 이상 증가할 수 있지만 안전성은 낮습니다. 중국은 2030년까지 프로토타입을 만들기를 희망하지만 전문가들은 이는 내연기관이 발명되기 전에 하이브리드 자동차를 만들려는 것과 같다고 말한다.

결론

새로운 에너지원을 세상에 가져오고 싶어하는 사람들이 부족하지 않습니다. 최고의 기회 ITER 프로젝트는 그 규모와 자금을 고려할 때 이를 갖고 있지만 민간 프로젝트뿐만 아니라 다른 방법도 무시해서는 안 됩니다. 과학자들은 핵융합 반응이 별 성공을 거두지 못하도록 수십 년 동안 노력해 왔습니다. 그러나 이제 그 어느 때보다 열핵반응을 달성하기 위한 프로젝트가 더 많아졌습니다. 각각 실패하더라도 새로운 시도가 이뤄질 것입니다. 여기 지구에서 태양의 축소판을 밝힐 때까지 우리가 쉴 수 없을 것 같습니다.

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오늘날 많은 국가에서 열핵 연구에 참여하고 있습니다. 유럽연합(EU), 미국, 러시아, 일본이 주도국이고, 중국, 브라질, 캐나다, 한국의 프로그램이 빠르게 확대되고 있다. 처음에는 미국과 소련의 열핵 원자로가 개발과 관련되었습니다. 핵무기그리고 1958년 제네바에서 열린 Atoms for Peace 회의까지 비밀로 유지되었습니다. 소련의 토카막이 탄생한 후, 핵융합 연구는 1970년대에 '대과학'이 되었습니다. 그러나 장치의 비용과 복잡성이 증가하여 국제 협력이 유일한 방법이 되었습니다.

세계의 열핵 원자로

1970년대 이후 핵융합에너지의 상업적 이용은 계속해서 40년씩 지연되어 왔다. 그러나 최근 몇 년간 이 기간을 단축할 수 있는 일이 많이 발생했습니다.

유럽의 JET, 영국의 MAST 및 미국 프린스턴의 TFTR 실험용 핵융합로를 포함하여 여러 토카막이 건설되었습니다. 현재 프랑스 카다라슈(Cadarache)에서 국제 ITER 프로젝트가 진행 중이다. 2020년에 운영을 시작하면 가장 큰 토카막이 될 것입니다. 2030년 중국은 ITER를 능가하는 CFETR을 건설할 예정이다. 한편, 중국은 실험용 초전도 토카막 EAST에 대한 연구를 진행하고 있다.

또 다른 유형의 핵융합로인 스텔레이터(stellator)도 연구자들 사이에서 인기가 있습니다. 가장 큰 규모 중 하나인 LHD는 1998년 일본 국립 연구소에서 작업을 시작했습니다. 이는 플라즈마 감금을 위한 최상의 자기 구성을 찾는 데 사용됩니다. 독일 막스플랑크 연구소는 1988년부터 2002년까지 Garching의 Wendelstein 7-AS 원자로에서 연구를 수행했으며 현재 Wendelstein 7-X 원자로에서는 건설에 19년 이상이 걸렸습니다. 또 다른 TJII 스텔라레이터가 스페인 마드리드에서 운용되고 있습니다. 미국에서는 1951년 최초의 핵융합로를 건설한 프린스턴 연구소(PPPL)가 비용 초과와 자금 부족으로 2008년 NCSX 건설을 중단했다.

또한 관성 핵융합 연구에서도 상당한 발전이 이루어졌습니다. LLNL(리버모어 국립연구소)에 70억 달러 규모의 NIF(국가 점화 시설) 건설이 미국 핵안보국의 자금 지원으로 완료되었으며 2009년 3월에 완료되었습니다. 프랑스 레이저 메가줄(LMJ)은 2014년 10월 가동을 시작했습니다. 핵융합로는 레이저를 사용하여 수십억분의 1초 내에 약 200만 줄의 빛 에너지를 수 밀리미터 크기의 목표물에 전달하여 핵융합 반응을 촉발합니다. NIF와 LMJ의 주요 임무는 국가 군사 핵 프로그램을 지원하는 연구입니다.

ITER

1985년 소련유럽, 일본, 미국과 공동으로 차세대 토카막 구축을 제안했습니다. 이 작업은 IAEA의 후원으로 수행되었습니다. 1988년에서 1990년 사이에 라틴어로 "경로" 또는 "여행"을 의미하는 국제 열핵융합 실험로 ITER의 첫 번째 설계는 핵융합이 흡수한 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것을 증명하기 위해 만들어졌습니다. 캐나다와 카자흐스탄도 각각 Euratom과 러시아의 중재로 참가했습니다.

6년 후, ITER 이사회는 확립된 물리학과 기술을 기반으로 한 최초의 종합 원자로 설계를 승인했으며 비용은 60억 달러에 달했습니다. 그러다가 미국이 컨소시엄에서 탈퇴하면서 비용을 절반으로 줄이고 프로젝트를 변경하게 됐다. 그 결과가 30억 달러의 비용이 들지만 자립적 대응과 긍정적인 전력 균형을 달성하는 ITER-FEAT입니다.

2003년에 미국은 컨소시엄에 다시 가입했고, 중국은 참여 의사를 밝혔습니다. 그 결과, 2005년 중반에 파트너들은 프랑스 남부의 Cadarache에 ITER를 건설하기로 합의했습니다. EU와 프랑스는 128억 유로 중 절반을 기부했고, 일본, 중국, 대한민국, 미국, 러시아 - 각각 10%. 일본은 첨단 기술 부품을 제공하고, 재료 테스트를 위해 설계된 10억 유로 규모의 IFMIF 시설을 유지했으며, 다음 테스트 원자로를 건설할 권리를 가졌습니다. ITER의 총 비용에는 건설 10년 비용의 절반, 운영 20년 비용의 절반이 포함됩니다. 인도는 2005년 말에 ITER의 7번째 회원국이 되었습니다.

자석 활성화를 피하기 위해 수소를 사용하는 실험은 2018년에 시작될 예정입니다. D-T 사용플라즈마는 2026년 이전에는 나올 것으로 예상되지 않습니다.

ITER의 목표는 전기를 생산하지 않고 50MW 미만의 입력 전력을 사용하여 500MW(최소 400초 동안)를 생성하는 것입니다.

데모의 2기가와트 실증 발전소는 지속적으로 대규모 생산을 할 예정이다. 데모의 개념 설계는 2017년까지 완료되며, 2024년 착공에 들어갈 예정이다. 발사는 2033년에 이뤄질 예정이다.

제트기

1978년에 EU(Euratom, 스웨덴, 스위스)는 영국에서 공동 유럽 프로젝트 JET를 시작했습니다. JET는 오늘날 세계에서 가장 큰 규모의 토카막을 운영하고 있습니다. 유사한 JT-60 원자로가 일본 국가핵융합연구소에서 작동하고 있지만 JET만이 중수소-삼중수소 연료를 사용할 수 있습니다.

원자로는 1983년에 발사되었으며, 1991년 11월 중수소-삼중수소 플라즈마에서 1초 동안 최대 16MW의 출력과 5MW의 안정적인 출력으로 제어된 열핵융합을 달성한 최초의 실험이 되었습니다. 다양한 가열 방식과 기타 기술을 연구하기 위해 많은 실험이 수행되었습니다.

JET의 추가 개선에는 출력 증가가 포함됩니다. MAST 소형 원자로는 JET와 함께 개발 중이며 ITER 프로젝트의 일부입니다.

K-스타

K-STAR는 대전 국가핵융합연구소(NFRI)가 2008년 중반에 최초로 플라즈마를 생산한 한국형 초전도 토카막이다. 국제협력의 결과물인 ITER. 1.8m 반경의 Tokamak은 ITER에 계획된 것과 동일한 Nb3Sn 초전도 자석을 사용하는 최초의 원자로입니다. 2012년까지 완료된 첫 번째 단계에서 K-STAR는 기본 기술의 실행 가능성을 입증하고 최대 20초 동안 지속되는 플라즈마 펄스를 달성해야 했습니다. 두 번째 단계(2013~2017)에서는 H 모드에서 최대 300초의 긴 펄스를 연구하고 고성능 AT 모드로 전환하도록 현대화되고 있습니다. 3단계(2018~2023)의 목표는 장펄스 모드에서 높은 생산성과 효율성을 달성하는 것이다. 4단계(2023~2025)에서는 DEMO 기술이 테스트됩니다. 이 장치는 삼중수소 및 D-T 연료사용하지 않습니다.

K-데모

미국 에너지부 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL) 및 한국 NFRI와 협력하여 개발된 K-DEMO는 ITER를 넘어 상업용 원자로 개발의 다음 단계가 될 것이며, 몇 주 안에 전력망, 즉 100만 kW를 생산할 수 있습니다. 직경은 6.65m이며 DEMO 프로젝트의 일부로 재생 구역 모듈이 생성됩니다. 한국 교육과학기술부는 여기에 약 1조원(9억4100만달러)을 투자할 계획이다.

동쪽

허페이에 있는 중국 물리학 연구소의 중국 실험용 첨단 초전도 토카막(EAST)은 5천만 °C의 온도에서 수소 플라즈마를 생성하고 102초 동안 유지했습니다.

TFTR

미국 실험실 PPPL에서는 실험용 핵융합로 TFTR이 1982년부터 1997년까지 작동되었습니다. 1993년 12월 TFTR은 광범위한 중수소-삼중수소 플라즈마 실험을 수행한 최초의 자기 토카막이 되었습니다. 안에 내년원자로는 당시 기록적인 10.7MW의 제어 가능한 전력을 생산했으며, 1995년에는 5억 1천만 °C의 온도 기록을 달성했습니다. 그러나 핵융합에너지 손익분기점 목표는 달성하지 못했지만 하드웨어 설계 목표를 성공적으로 달성해 ITER 발전에 크게 기여했다.

LHD

기후현 도키에 있는 일본 국가핵융합연구소의 LHD는 세계에서 가장 큰 스텔라레이터였습니다. 핵융합로는 1998년에 발사되었으며 다른 대규모 시설과 비교할 수 있는 플라즈마 봉쇄 특성을 보여주었습니다. 13.5keV(약 1억 6천만 °C)의 이온 온도와 1.44MJ의 에너지가 달성되었습니다.

벤델슈타인 7-X

2015년 말에 시작된 1년간의 테스트 이후 헬륨 온도는 잠시 100만 °C에 도달했습니다. 2016년에는 2MW 전력을 사용하는 수소 플라즈마 융합로가 1/4초 만에 8천만 °C의 온도에 도달했습니다. W7-X는 세계 최대 규모의 스텔라레이터로 30분 동안 지속적으로 작동할 예정이다. 원자로 비용은 10억 유로였습니다.

NIF

리버모어 국립연구소(LLNL)의 국립점화시설(NIF)은 2009년 3월에 완공되었습니다. NIF는 192개의 레이저 빔을 사용하여 이전 레이저 시스템보다 60배 더 많은 에너지를 집중할 수 있습니다.

상온 핵융합

1989년 3월, 미국의 Stanley Pons와 영국의 Martin Fleischman이라는 두 명의 연구자가 실온에서 작동하는 간단한 탁상형 저온 핵융합로를 발사했다고 발표했습니다. 중수소 핵이 고밀도로 농축된 팔라듐 전극을 이용해 중수를 전기분해하는 공정이다. 연구진은 이것이 핵 과정으로만 설명할 수 있는 열을 발생시켰으며 헬륨, 삼중수소, 중성자를 포함한 핵융합 부산물이 있었다고 말했습니다. 그러나 다른 실험자들은 이 실험을 반복할 수 없었습니다. 대부분의 과학계는 상온 핵융합로가 실제로 존재한다고 믿지 않습니다.

저에너지 핵반응

"저온 핵융합"에 대한 주장으로 시작된 연구는 경험적 뒷받침을 바탕으로 저에너지 분야에서 계속 진행되었지만 일반적으로 받아들여지는 과학적 설명은 없습니다. 분명히 약한 핵 상호작용은 중성자를 생성하고 포획하는 데 사용됩니다(융합에서처럼 강력한 힘은 아닙니다). 실험에는 촉매층을 통과하여 금속과 반응하는 수소 또는 중수소가 포함됩니다. 연구원들은 관찰된 에너지 방출을 보고합니다. 주요 실제 사례는 수소와 니켈 분말의 상호 작용으로, 화학 반응이 생성할 수 있는 것보다 더 많은 양의 열을 방출합니다.

최근 모스크바 물리 기술 연구소는 토카막 원리에 따라 작동하는 열핵 원자로를 만들 계획인 ITER 프로젝트에 대한 러시아 프레젠테이션을 주최했습니다. 러시아의 과학자 그룹은 국제 프로젝트와 이 물체의 생성에 러시아 물리학자들의 참여에 대해 이야기했습니다. Lenta.ru는 ITER 프레젠테이션에 참석하여 프로젝트 참가자 중 한 명과 이야기를 나눴습니다.

ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 평화적, 상업적 목적을 위해 열핵 기술을 실증하고 연구할 수 있는 열핵 원자로 프로젝트입니다. 이 프로젝트의 창시자들은 제어된 열핵융합이 미래의 에너지가 될 수 있고 현대 가스, 석유 및 석탄의 대안이 될 수 있다고 믿습니다. 연구원들은 기존 에너지에 비해 ITER 기술의 안전성, 환경 친화성 및 접근성에 주목합니다. 프로젝트의 복잡성은 Large Hadron Collider와 비슷합니다. 원자로 설치에는 천만 개 이상의 구조 요소가 포함됩니다.

ITER 소개

토카막 토로이달 자석에는 8만 킬로미터의 초전도 필라멘트가 필요합니다. 총 중량은 400톤에 이릅니다. 원자로 자체의 무게는 약 23,000톤에 이릅니다. 이에 비해 파리 에펠탑의 무게는 7300톤에 불과하다. 토카막의 플라즈마 부피는 840입방미터에 달하는 반면, 예를 들어 영국에서 운영되는 이러한 유형의 가장 큰 원자로인 JET에서는 부피가 100입방미터에 달합니다.

토카막의 높이는 73m로 이 중 60m는 지상, 13m는 지하에 위치한다. 비교를 위해 모스크바 크렘린의 Spasskaya Tower의 높이는 71m입니다. 주 원자로 플랫폼은 축구장 60개 면적과 맞먹는 42헥타르의 면적을 차지하게 된다. 토카막 플라즈마의 온도는 섭씨 1억 5천만도에 달하며 이는 태양 중심의 온도보다 10배 더 높습니다.

2010년 하반기 ITER 건설에는 근로자와 엔지니어, 행정인력을 포함해 최대 5,000명이 동시에 참여할 예정이다. ITER의 구성품 대부분은 지중해 인근 항구에서 약 104km 길이의 특별히 건설된 도로를 따라 운송될 예정입니다. 특히, 설치물의 가장 무거운 조각은 이를 따라 운반되며, 그 질량은 900톤 이상이고 길이는 약 10m가 됩니다. ITER 시설 건설 현장에서 250만 입방미터 이상의 흙이 제거될 것입니다.

설계 및 건설 작업의 총 비용은 130억 유로로 추산됩니다. 이 자금은 35개국의 이해관계를 대표하는 7명의 주요 프로젝트 참가자가 할당합니다. 비교해 보면, 대형 강입자 충돌기를 건설하고 유지하는 데 드는 총 비용은 거의 절반이고, 국제 우주 정거장을 건설하고 유지하는 데 드는 비용은 거의 1.5배 더 높습니다.

토카막

오늘날 세계에는 두 가지 유망한 열핵 원자로 프로젝트가 있습니다. 저것로이달 카측정하다 엄마썩은 에게 atushki) 및 stellarator. 두 설치 모두에서 플라즈마가 포함됩니다. 자기장그러나 토카막에서는 전류가 통과하는 토로이드 코드 형태를 취하는 반면, 스텔라레이터에서는 자기장이 외부 코일에 의해 유도됩니다. 열핵 원자로에서는 무거운 핵이 더 가벼운 원자핵으로 붕괴되는 과정이 시작되는 기존 원자로와 달리 가벼운 원자(수소 동위원소의 헬륨-중수소 및 삼중수소)에서 무거운 원소를 합성하는 반응이 발생합니다.

사진: 국립 연구 센터 "Kurchatov Institute"/nrcki.ru

토카막의 전류는 초기에 플라즈마를 약 섭씨 3천만도의 온도로 가열하는 데에도 사용됩니다. 추가 가열은 특수 장치에 의해 수행됩니다.

토카막의 이론적 설계는 1951년 소련 물리학자 안드레이 사하로프(Andrei Sakharov)와 이고르 탐(Igor Tamm)에 의해 제안되었으며, 첫 번째 시설은 1954년 소련에서 건설되었습니다. 그러나 과학자들은 오랫동안 플라즈마를 안정된 상태로 유지할 수 없었고, 1960년대 중반이 되자 세계는 토카막을 기반으로 한 제어된 열핵융합이 불가능하다는 것을 확신하게 되었습니다.

그러나 불과 3년 후 Lev Artsimovich의 지도 하에 Kurchatov 원자력 연구소의 T-3 시설에서 플라즈마를 섭씨 500만도 이상의 온도로 가열하고 잠시 동안 유지할 수 있었습니다. 시간; 실험에 참석한 영국의 과학자들은 장비에서 약 천만 도의 온도를 기록했습니다. 그 후 세계에서 진정한 토카막 붐이 시작되어 전 세계적으로 약 300개의 시설이 건설되었으며 그 중 가장 큰 시설은 유럽, 일본, 미국 및 러시아에 있습니다.

이미지: Rfassbind/wikipedia.org

ITER 관리

ITER가 5~10년 안에 운영될 것이라는 확신의 근거는 무엇입니까? 어떤 실용적이고 이론적인 발전이 있었나요?

러시아 측에서는 명시된 업무 일정을 이행하고 있으며 이를 위반하지 않을 것입니다. 불행하게도 우리는 주로 유럽에서 다른 사람들이 수행하는 작업이 약간 지연되는 것을 봅니다. 미국에서는 부분적인 지연이 있어 프로젝트가 다소 늦어지는 경향이 있습니다. 구금되었지만 중단되지는 않았습니다. 효과가 있을 것이라는 확신이 있습니다. 프로젝트의 컨셉 자체가 완전히 이론적이고 실무적으로 계산되어 있고 신뢰도가 높으니 괜찮을 것 같아요. 선언한 결과가 완전히 나올지... 기다려보겠습니다.

이 프로젝트는 연구 프로젝트에 가깝나요?

틀림없이. 명시된 결과는 얻은 결과가 아닙니다. 전액을 받으면 매우 기쁠 것입니다.

ITER 프로젝트에는 어떤 새로운 기술이 등장했거나 등장하고 있거나 등장할 예정입니까?

ITER 프로젝트는 매우 복잡할 뿐만 아니라 매우 스트레스가 많은 프로젝트이기도 합니다. 에너지 부하, 당사 시스템을 포함한 특정 요소의 작동 조건 측면에서 스트레스가 많습니다. 따라서 이 프로젝트에서는 새로운 기술이 탄생해야 합니다.

예가 있나요?

공간. 예를 들어 다이아몬드 탐지기가 있습니다. 우리는 위성이나 정거장과 같은 특정 물체를 궤도에서 궤도로 운반하는 핵 차량인 우주 트럭에 다이아몬드 탐지기를 사용할 가능성에 대해 논의했습니다. 우주 트럭에 대한 프로젝트가 있습니다. 이것은 원자로가 탑재된 장치이기 때문에 복잡한 작동 조건에는 분석과 제어가 필요하므로 우리의 감지기는 이를 쉽게 수행할 수 있습니다. 현재 이러한 진단을 만드는 주제에는 아직 자금이 지원되지 않습니다. 만들어지면 적용할 수 있으며 개발 단계에서는 돈을 투자할 필요가 없고 개발 및 구현 단계에서만 투자할 수 있습니다.

소련 및 서구 발전과 비교하여 2000년대와 1990년대 현대 러시아 발전의 비중은 얼마나 됩니까?

ITER에 대한 러시아의 과학적 기여는 글로벌 과학에 비해 매우 큽니다. 정확히는 모르겠지만 매우 중요합니다. 다른 많은 팀이 많은 수의다른 기관에서 일하기 위해 해외로 나간 러시아인. 일본과 미국 어디에서나 우리는 그들과 매우 잘 소통하고 협력합니다. 그들 중 일부는 유럽을 대표하고 일부는 미국을 대표합니다. 또한 과학 학교도 있습니다. 따라서 우리가 이전에 했던 것보다 더 많이 개발하고 있는지에 대해... 위대한 중 한 사람이 "우리는 거인의 어깨 위에 서 있다"고 말했습니다. 그러므로 소련 시대에 개발된 기반은 부인할 수 없이 위대하며 그것이 없으면 우리는 없습니다. 우리가 할 수 있었던 것은 아무것도 없습니다. 하지만 지금 이 순간에도 우리는 가만히 있지 않고 움직이고 있습니다.

귀하의 그룹은 ITER에서 정확히 무엇을 합니까?

나는 부서에 부문이 있습니다. 본 학과에서는 여러 가지 진단을 개발하고 있는데, 우리 부문에서는 특히 수직형 중성자실, ITER 중성자 진단을 개발하고 있으며 설계부터 제조까지 광범위한 문제를 해결하고 특히 다이아몬드 개발과 관련된 연구 업무를 수행하고 있습니다. 탐지기. 다이아몬드 탐지기는 원래 우리 연구실에서 제작된 독특한 장치입니다. 이전에는 많은 열핵 시설에서 사용되었지만 이제는 미국에서 일본에 이르기까지 많은 실험실에서 상당히 광범위하게 사용됩니다. 예를 들어 그들은 우리를 따랐지만 우리는 계속해서 선두를 유지하고 있습니다. 이제 우리는 다이아몬드 탐지기를 만들고 있으며 산업 생산(소규모 생산) 수준에 도달하려고 합니다.

이 감지기는 어떤 산업에 사용될 수 있습니까?

이 경우 이는 열핵 연구이며, 미래에는 원자력 에너지 분야에서 수요가 있을 것으로 가정합니다.

탐지기는 정확히 무엇을 수행하며, 무엇을 측정합니까?

중성자. 중성자보다 더 가치 있는 제품은 없습니다. 당신과 나 역시 중성자로 이루어져 있습니다.

중성자의 어떤 특성을 측정합니까?

유령 같은. 첫째, ITER에서 당장 해결해야 할 과제는 중성자 에너지 스펙트럼 측정이다. 또한 중성자의 수와 에너지를 모니터링합니다. 두 번째, 추가 과제는 원자력 에너지에 관한 것입니다. 우리는 원자로의 기초가 되는 열 중성자를 측정할 수 있는 병행 개발을 진행하고 있습니다. 이것은 우리에게 부차적인 과제이지만 개발 중이기도 합니다. 즉, 우리는 여기서 일하면서 동시에 원자력에 매우 성공적으로 적용될 수 있는 개발을 할 수 있습니다.

이론적, 실제적, 컴퓨터 모델링 등 연구에 어떤 방법을 사용합니까?

모두: 복잡한 수학(수리 물리학의 방법)과 수학적 모델링부터 실험까지. 우리가 수행하는 모든 다양한 유형의 계산은 실험을 통해 확인되고 검증됩니다. 왜냐하면 우리는 직접 개발한 시스템을 테스트하는 여러 작동 중성자 발생기를 갖춘 실험 실험실을 직접 보유하고 있기 때문입니다.

실험실에 작동하는 원자로가 있습니까?

원자로가 아니라 중성자 발생기입니다. 중성자 발생기는 실제로 문제의 열핵 반응의 미니 모델입니다. 그곳에서는 모든 것이 동일하고 프로세스만 약간 다릅니다. 이는 가속기의 원리에 따라 작동합니다. 이는 목표물에 부딪히는 특정 이온 빔입니다. 즉, 플라즈마의 경우 각 원자가 높은 에너지를 갖는 뜨거운 물체를 갖게 되는데, 우리의 경우 특별히 가속된 이온이 유사한 이온으로 포화된 목표물에 부딪히게 됩니다. 따라서 반응이 발생합니다. 이것이 동일한 작업을 수행할 수 있는 방법 중 하나라고 가정해 보겠습니다. 열핵반응; 입증된 유일한 것은 이 방법의 효율성이 높지 않다는 것입니다. 즉, 긍정적인 에너지 출력을 얻지 못하지만 반응 자체를 얻습니다. 우리는 이 반응과 입자 및 그에 들어가는 모든 것을 직접 관찰합니다. .

ITER 국제실험열핵로 프로젝트는 2007년에 시작되었습니다. 프랑스 남부 카다라쉬(Cadarache)에 위치하고 있습니다. 프로젝트를 구상하고 실행하는 사람들에 따르면 ITER의 주요 임무는 열핵융합의 상업적 이용 가능성을 입증하는 것입니다.

ITER는 전략적인 국제 과학 이니셔티브로, 30개 이상의 국가가 실행에 참여하고 있습니다.

“우리는 미래 핵융합로의 중심에 있습니다. 무게는 에펠탑 3개에 맞먹고, 총 면적은 축구장 60개에 달합니다.”라고 유로뉴스 저널리스트 클라우디오 로코는 보도합니다.

자기 플라즈마 봉쇄를 위한 핵융합로 또는 토로이달 설비(토코막이라고도 함)는 제어된 열핵 융합이 발생하는 데 필요한 조건을 달성하기 위해 만들어졌습니다. 토카막의 플라즈마는 챔버의 벽이 아니라 특별히 생성된 결합 자기장(플라즈마 코드를 통해 흐르는 전류의 토로이드 외부 및 폴로이드 필드)에 의해 유지됩니다. 플라즈마를 가두기 위해 자기장을 사용하는 다른 설비와 비교하여, 전류토카막의 주요 특징이다

제어된 열핵융합을 수행할 때 토카막에는 중수소와 삼중수소가 사용됩니다.
자세한 내용은 ITER 사무총장인 베르나르 비고(Bernard Bigot)와의 인터뷰에서 확인하실 수 있습니다.

제어된 핵융합을 통해 생산된 에너지의 이점은 무엇입니까?

“우선, 거의 무한한 공급원으로 간주되는 수소 동위원소를 사용할 때, 수소는 세계 해양을 포함한 모든 곳에서 발견됩니다. 따라서 지구, 바다, 신선한 물이 있는 한 우리는 토카막을 위한 연료를 공급받을 것입니다. 우리는 수백만 년에 대해 이야기하고 있습니다. 두 번째 장점은 방사성 폐기물의 반감기가 핵융합 폐기물에 비해 수백 년이라는 상당히 짧은 반감기를 갖는다는 것입니다.”

열핵융합은 제어되며, Bernard Bigot에 따르면 사고가 발생하면 비교적 쉽게 중단할 수 있습니다. 비슷한 경우에 다른 상황이 핵융합으로 인해 발생합니다.

물질을 가열하면 핵반응이 일어날 수 있다. "열핵반응"이라는 용어에 반영되는 것은 물질 가열과 핵반응 사이의 관계입니다.

토카막 부품의 설계는 ITER 참가국들의 노력을 통해 이루어지며, 토카막의 부품과 기술 부품은 일본, 한국, 러시아, 중국, 미국 등에서 생산된다. 토카막을 만들 때 확률이 고려됩니다. 다른 유형사고

Bernard Bigot: “그럼에도 불구하고 방사성 원소의 누출은 가능합니다. 일부 구획은 충분히 밀봉되지 않습니다. 그러나 그 수는 극히 적을 것이며 원자로 근처에 사는 사람들의 건강이나 생명에 ​​큰 위험은 없을 것입니다.”

그러나 이 프로젝트에서는 사고 및 누출 가능성이 제공됩니다. 특히 열핵융합이 일어나는 방과 인접한 방에는 방사성 원소가 흡입되는 특수 환기 샤프트가 설치되어 있습니다. 외부로 방출.

“저는 약 160억 유로라는 추산이 그렇게 거대해 보이지는 않는다고 생각합니다. 특히 이곳에서 생산될 에너지 비용을 고려하면 더욱 그렇습니다. 게다가 생산하는 데 오랜 시간이 걸리기 때문에 모든 비용은 중기적으로도 정당화될 것입니다.”라고 Bernard Bigot는 결론지었습니다.

러시아 NIIEFA는 최근 ITER를 위해 특별히 설계된 초전도 코일 보호용 담금질 저항기 시스템의 전체 규모 프로토타입에 대한 성공적인 테스트를 보고했습니다.

그리고 프랑스 Cadarache의 ITER 단지 전체의 시운전은 2020년에 계획되어 있습니다.

인류는 점차 지구의 탄화수소 자원이 돌이킬 수 없는 고갈의 경계에 접근하고 있습니다. 우리는 거의 2세기 동안 지구의 창자에서 석유, 가스, 석탄을 추출해 왔으며, 그 매장량이 엄청난 속도로 고갈되고 있다는 것은 이미 분명합니다. 세계의 주요 국가들은 막대한 연료 매장량을 가지고 운영 측면에서 환경 친화적이고 안전한 새로운 에너지 원을 만드는 것에 대해 오랫동안 생각해 왔습니다.

핵융합로

오늘날 광전지, 풍력 에너지 및 수력 발전 형태의 재생 가능 에너지원인 소위 대체 에너지 유형의 사용에 대해 많은 이야기가 있습니다. 그 특성으로 인해 이러한 방향은 에너지 공급의 보조 소스로만 작용할 수 있다는 것이 분명합니다.

인류의 장기적 전망으로는 핵반응에 기반한 에너지만이 고려될 수 있다.

한편으로는 점점 더 많은 국가들이 자국 영토에 원자로를 건설하는 데 관심을 보이고 있습니다. 그러나 여전히 원자력 에너지의 시급한 문제는 방사성 폐기물의 처리 및 처리이며 이는 경제 및 환경 지표에 영향을 미칩니다. 20세기 중반, 새로운 유형의 에너지를 찾기 위해 세계 최고의 물리학자들은 지구상의 생명의 원천인 태양으로 눈을 돌렸습니다. 그 깊이에서는 약 2천만 도의 온도에서 반응이 일어납니다. 가벼운 원소의 합성(융합)은 엄청난 에너지의 방출과 함께 일어납니다.

국내 전문가들이 지상 조건에서 핵융합 반응을 구현하기 위한 시설을 개발하는 작업을 가장 잘 처리했습니다. 러시아에서 얻은 제어열핵융합(CTF) 분야의 지식과 경험은 과장하지 않고 인류의 에너지 희망인 국제실험열핵융합로(ITER) 프로젝트의 기초를 형성했습니다. Cadarache (프랑스)에 건설되었습니다.

열핵융합의 역사

최초의 열핵 연구는 핵 방어 프로그램을 진행하는 국가에서 시작되었습니다. 원자 시대가 시작될 때 중수소 플라즈마 원자로 출현의 주요 목적은 뜨거운 플라즈마의 물리적 과정에 대한 연구 였기 때문에 이는 놀라운 일이 아니며 무엇보다도 열핵 무기 생성에 필요한 지식이었습니다. . 기밀 해제된 데이터에 따르면 소련과 미국은 1950년대에 거의 동시에 시작되었습니다. UTS에서 일하세요. 그러나 동시에, 있습니다. 역사적 증거, 1932년 당시 세계 프롤레타리아트 지도자 니콜라이 부하린의 옛 혁명가이자 절친한 친구였던 그는 당시 최고 경제위원회 위원장직을 맡고 발전을 따랐습니다. 소련 과학, 제어된 열핵 반응을 연구하기 위해 국가에서 프로젝트를 시작할 것을 제안했습니다.

소련의 열핵 프로젝트의 역사에는 재미있는 사실이 없지 않습니다. 미래의 유명한 학자수소폭탄의 창시자인 안드레이 드미트리에비치 사하로프(Andrei Dmitrievich Sakharov)는 군인의 편지에서 나온 고온 플라즈마의 자기 단열 아이디어에서 영감을 얻었습니다. 소련군. 1950년 사할린에서 복무한 올레그 라브렌티예프 병장은 전연합 공산당 중앙위원회에 편지를 보내 다음과 같이 제안했습니다. 수소폭탄액화 중수소와 삼중수소 대신 리튬-6 중수소를 사용하고, 제어된 열핵 융합을 위해 고온 플라즈마를 정전기적으로 가두는 시스템을 만듭니다. 그 편지는 당시 젊은 과학자 안드레이 사하로프(Andrei Sakharov)가 검토했는데, 그는 자신의 리뷰에서 "라브렌티예프 동지의 프로젝트에 대해 상세한 논의가 필요하다고 생각한다"고 썼습니다.

이미 1950년 10월에 안드레이 사하로프(Andrei Sakharov)와 그의 동료 이고르 탐(Igor Tamm)은 자기열핵로(MTR)에 대한 최초의 추정치를 작성했습니다. I. Tamm과 A. Sakharov의 아이디어를 바탕으로 강력한 종방향 자기장을 갖춘 최초의 환상형 설치물이 1955년 LIPAN에서 건설되었습니다. 그것은 자기장이 있는 토러스인 TMP라고 불렸습니다. 후속 설치는 "TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL"이라는 문구의 초기 음절을 조합한 후 이미 TOKAMAK이라고 불렸습니다. 고전적인 버전에서 토카막은 토로이드 자기장에 배치된 도넛 모양의 토로이드 챔버입니다. 1955년부터 1966년까지 Kurchatov Institute에서는 8개의 그러한 시설이 건설되었으며 이에 대해 다양한 연구가 수행되었습니다. 1969년 이전에 토카막이 소련 외부의 호주에서만 건설되었다면 이후 몇 년 동안 미국, 일본, 유럽 국가, 인도, 중국, 캐나다, 리비아, 이집트를 포함한 29개국에서 건설되었습니다. 현재까지 전 세계적으로 약 300개의 토카막이 건설되었으며, 소련과 러시아에서 31개, 미국에서 30개, 유럽에서 32개, 일본에서 27개가 만들어졌습니다. 실제로 소련, 영국, 미국 3개국은 누가 최초로 플라즈마를 활용하고 실제로 "물에서" 에너지를 생산하기 시작할 것인지 알아보기 위해 무언의 경쟁을 벌였습니다.

열핵 원자로의 가장 중요한 장점은 모든 현대식 원자로에 비해 생물학적 방사선 위험이 약 1000배 감소한다는 것입니다.

열핵 원자로는 CO2를 방출하지 않으며 "무거운" 방사성 폐기물을 생성하지 않습니다. 이 반응기는 어디에나 배치할 수 있습니다.

반세기의 한걸음

1985년 소련을 대표하는 학자 Evgeniy Velikhov는 유럽, 미국, 일본의 과학자들이 협력하여 열핵 원자로를 만들 것을 제안했으며 이미 1986년 제네바에서 시설 설계에 대한 합의가 이루어졌습니다. ITER라는 이름을 받았습니다. 1992년에 파트너들은 원자로의 엔지니어링 설계를 개발하기 위해 4자 협약을 체결했습니다. 1단계 건설은 2020년 완료돼 첫 번째 플라즈마를 공급받을 예정이다. 2011년에 ITER 현장에서 실제 건설이 시작되었습니다.

ITER 설계는 1960년대에 개발된 고전적인 러시아 토카막을 따릅니다. 첫 번째 단계에서 원자로는 400~500MW의 열핵 반응 전력으로 펄스 모드로 작동하고, 두 번째 단계에서는 원자로의 연속 작동과 삼중수소 재생 시스템을 테스트할 예정입니다. .

ITER 원자로가 인류의 에너지 미래라고 불리는 것은 당연합니다. 첫째, 세계 최대 규모다. 과학 프로젝트, 프랑스 영토에서는 EU + 스위스, 중국, 인도, 일본, 한국, 러시아 및 미국이 참여하는 거의 전 세계에서 건설되고 있기 때문입니다. 시설 건설에 관한 계약은 2006년에 체결되었습니다. 유럽 국가는 프로젝트 자금 조달의 약 50%를 기여하고 러시아는 전체 금액의 약 10%를 차지하며 이는 첨단 장비 형태로 투자될 것입니다. 그러나 러시아의 가장 중요한 기여는 ITER 원자로의 기초가 된 토카막 기술 자체입니다.

둘째, 이는 태양에서 발생하는 열핵반응을 이용해 전기를 생산하려는 최초의 대규모 시도가 될 것입니다. 셋째, 이 과학적 연구매우 실용적인 결과를 가져올 것이며, 세기 말까지 세계는 상업용 열핵 발전소의 첫 번째 프로토타입이 등장할 것으로 기대하고 있습니다.

과학자들은 국제 실험용 열핵 원자로에서 첫 번째 플라즈마가 2025년 12월에 생산될 것으로 가정합니다.

문자 그대로 전 세계 과학계가 왜 그러한 원자로를 건설하기 시작했습니까? 사실 ITER 건설에 사용될 예정인 많은 기술이 모든 국가에 동시에 속하지는 않습니다. 과학 기술 측면에서 가장 고도로 발전된 국가라 할지라도 열핵 원자로와 같은 첨단 기술 및 획기적인 프로젝트에 사용되는 모든 기술 분야에서 세계 최고 수준의 기술 100개를 즉시 보유할 수는 없습니다. 그러나 ITER는 수백 가지의 유사한 기술로 구성됩니다.

러시아는 많은 열핵융합 기술에서 세계 수준을 능가합니다. 그러나 예를 들어 일본의 핵 과학자들은 이 분야에서도 고유한 역량을 갖고 있으며 이는 ITER에 상당히 적용 가능합니다.

따라서 프로젝트 초기부터 파트너 국가들은 현장에 누가, 무엇을 공급할 것인지에 대해 합의했으며, 이는 단순히 엔지니어링 협력이 아닌 각 파트너가 새로운 기술을 접할 수 있는 기회가 되어야 한다고 합의했습니다. 다른 참가자로부터 미래에 직접 개발할 수 있도록 합니다.

안드레이 레팅거(Andrey Retinger), 국제 저널리스트